Igneous Petrology
Die Igneous Petrology befasst sich mit der Identifizierung, Klassifizierung, dem Ursprung, der Entwicklung und den Prozessen der Bildung und Kristallisation der Eruptivgesteine. Die meisten der zu untersuchenden Gesteine stammen aus der Erdkruste, einige wenige, wie z. B. Eklogite, stammen aus dem Erdmantel. Die Eruptivgesteine machen den Großteil der kontinentalen und ozeanischen Kruste sowie der Gebirgsgürtel der Welt aus, deren Alter vom frühen Archaikum bis zum Neogen reicht, und sie umfassen auch die hochgradig vulkanischen Extrusivgesteine und die plutonischen Gesteine, die sich tief im Inneren der Kruste gebildet haben. Von größter Bedeutung für die Forschung im Bereich der magmatischen Petrologie ist die Geochemie, die sich mit der Zusammensetzung der Haupt- und Spurenelemente der magmatischen Gesteine und der Magmen, aus denen sie entstanden sind, befasst. Einige der wichtigsten Probleme im Rahmen der magmatischen Petrologie sind: (1) Form und Struktur von Eruptivkörpern, seien es Lavaströme oder granitische Intrusionen, und ihre Beziehungen zu den umgebenden Gesteinen (dies sind Probleme, die in der Praxis untersucht werden); (2) die Kristallisationsgeschichte der Minerale, aus denen Eruptivgesteine bestehen (dies wird mit dem petrographischen Polarisationsmikroskop bestimmt); (3) die Klassifizierung von Gesteinen auf der Grundlage von Texturmerkmalen, Korngröße sowie der Häufigkeit und Zusammensetzung der Mineralien, aus denen sie bestehen; (4) die Fraktionierung der Ausgangsmagmen durch den Prozess der magmatischen Differenzierung, der zu einer evolutionären Abfolge genetisch verwandter magmatischer Produkte führen kann; (5) der Mechanismus der Magmenbildung durch teilweises Aufschmelzen der unteren kontinentalen Kruste, des subozeanischen und subkontinentalen Mantels und der subduzierenden Platten der ozeanischen Lithosphäre; (6) die Entstehungsgeschichte und die Zusammensetzung der gegenwärtigen ozeanischen Kruste, die auf der Grundlage von Daten aus dem Integrated Ocean Drilling Program (IODP) ermittelt wurden; (7) die Entwicklung der Eruptivgesteine im Laufe der geologischen Zeit; (8) die Zusammensetzung des Erdmantels anhand von Untersuchungen der Gesteine und der Mineralchemie von Eklogiten, die in Kimberlit-Röhren an die Oberfläche gebracht wurden; (9) die Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen sich verschiedene Magmen bilden und unter denen ihre Eruptivprodukte kristallisieren (bestimmt durch experimentelle Hochdruckpetrologie).
Das grundlegende Instrument der magmatischen Petrologie ist das petrographische Polarisationsmikroskop, aber die meisten der heute verwendeten Instrumente haben mit der Bestimmung der Gesteins- und Mineralchemie zu tun. Dazu gehören das Röntgenfluoreszenzspektrometer, Geräte zur Neutronenaktivierungsanalyse, induktionsgekoppelte Plasmaspektrometer, Elektronenmikrosonde, Ionensonde und Massenspektrometer. Diese Instrumente sind hochgradig computergesteuert und automatisch und ermöglichen eine schnelle Analyse (siehe unten Geochemie). Komplexe Hochdruck-Experimentallabors liefern ebenfalls wichtige Daten.
Mit einer breiten Palette hochentwickelter Instrumente kann der Eruptiv-Petrologe viele grundlegende Fragen beantworten. Die Erforschung des Meeresbodens wurde mit der Untersuchung von Ophiolithkomplexen kombiniert, die als Platten des Meeresbodens interpretiert werden, die auf die angrenzenden Kontinentalränder geschoben wurden. Ein Ophiolith bietet einen viel tieferen Schnitt durch den Ozeanboden, als dies bei flachen Bohrkernen und Baggerproben des bestehenden Ozeanbodens der Fall ist. Diese Studien haben gezeigt, dass die oberste vulkanische Schicht aus tholeiitischem Basalt oder mittelozeanischem Rückenbasalt besteht, der an einem sich bildenden Riss oder Rücken in der Mitte eines Ozeans kristallisiert ist. Eine Kombination aus der Mineralchemie der Basaltminerale und der experimentellen Petrologie solcher Phasen ermöglicht es den Forschern, die Tiefe und Temperatur der Magmakammern entlang des mittelozeanischen Rückens zu berechnen. Die Tiefen liegen bei fast sechs Kilometern, und die Temperaturen reichen von 1.150 °C bis 1.279 °C. Eine umfassende petrologische Untersuchung aller Schichten eines Ophiolithen ermöglicht es, die Struktur und die Entwicklung der zugehörigen Magmakammer zu bestimmen.
Im Jahr 1974 entdeckten B.W. Chappell und A.J.R. White zwei wichtige und unterschiedliche Arten von Granitgestein, nämlich I- und S-Typ-Granitoide. Der I-Typ hat ein Strontium-87/Strontium-86-Verhältnis von weniger als 0,706 und enthält Magnetit, Titanit und Allanit, aber keinen Muskovit. Diese Gesteine haben sich oberhalb von Subduktionszonen in Inselbögen und aktiven (subduzierenden) Kontinentalrändern gebildet und sind letztlich durch teilweises Aufschmelzen von Mantel und subduzierter ozeanischer Lithosphäre entstanden. Im Gegensatz dazu weisen S-Typ-Granitoide ein Strontium-87/Strontium-86-Verhältnis von mehr als 0,706 auf und enthalten Muskovit, Ilmenit und Monazit. Diese Gesteine sind durch teilweises Aufschmelzen der unteren kontinentalen Kruste entstanden. Die Gesteine im Himalaya entstanden während des Miozäns vor etwa 20.000.000 Jahren, als Folge des Eindringens Indiens in Asien, das die kontinentale Kruste verdickte und dann ihr teilweises Aufschmelzen verursachte.
In den Inselbögen und aktiven Kontinentalrändern, die den Pazifischen Ozean umgeben, gibt es viele verschiedene vulkanische und plutonische Gesteine, die zur Kalk-Alkali-Serie gehören. Dazu gehören Basalt, Andesit, Dazit, Rhyolit, Ignimbrit, Diorit, Granit, Peridotit, Gabbro sowie Tonalit, Trondhjemit und Granodiorit (TTG). Sie treten typischerweise in riesigen Batholithen auf, die mehrere tausend Kilometer lang sein können und mehr als 1.000 separate granitische Körper enthalten. Diese kalkalkhaltigen TTG-Gesteine waren während der gesamten erdgeschichtlichen Zeit die Hauptursache für das Wachstum der kontinentalen Kruste. Sie werden intensiv erforscht, um die Herkunftsgebiete ihrer Ausgangsmagmen und die chemische Entwicklung der Magmen zu bestimmen. Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass diese Magmen größtenteils durch das Schmelzen einer subduzierten ozeanischen Platte und des darüber liegenden hydratisierten Mantelkeils entstanden sind. Einer der wichtigsten Einflüsse auf die Entwicklung dieser Gesteine ist das Vorhandensein von Wasser, das ursprünglich aus der Dehydratisierung der subduzierten Platte stammt.